摘 要：虛擬管道寬度直接影響了管道內(nèi)無(wú)人機(jī)的流速，但目前虛擬管道規(guī)劃的方法并不能保證管道寬度，容易造成堵塞，嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)通行效率。對(duì)此，提出一種虛擬管道空間滿足規(guī)劃方法，可以在包含障礙物的環(huán)境中得到一條滿足虛擬管道空間要求的管道生成線。主要包括路徑搜索和軌跡優(yōu)化，基于快速探索隨機(jī)樹(shù)*（rapidly exploring random tree RRT*）搜索，通過(guò)空間檢測(cè)判斷每段路徑周圍是否有足夠空間，若無(wú)足夠空間則重新拓展搜索，替換掉空間不足的路徑段。在軌跡優(yōu)化過(guò)程中，使用均勻B樣條參數(shù)化軌跡，并設(shè)計(jì)碰撞代價(jià)函數(shù)和光滑代價(jià)函數(shù)，使軌跡遠(yuǎn)離障礙物，為虛擬管道規(guī)劃提供足夠空間。仿真測(cè)試驗(yàn)證了所提方法在大規(guī)模集群中的優(yōu)越性和魯棒性。在仿真測(cè)試中，15架無(wú)人機(jī)集群通行時(shí)間平均降低20%。

關(guān)鍵詞： 虛擬管道; 四旋翼飛行器; 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃; 路徑搜索; 均勻B樣條; 空間滿足

中圖分類號(hào)： TP 29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.10.29

Space satisfaction planning for curved virtual tube of unmanned

aerial vehicle swarm

XIAO Shibo QI Guoyuan DENG Jiahao SU Pengpeng JIA Jingtong²

（1. School of Control Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China;

2. School of Electronics and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： The width of the virtual tube directly affects the flow rate of unmanned aerial vehicles in the tube. However， current virtual tube planning methods cannot guarantee the tube width， which leads to blockages that severely impact the efficiency of unmanned aerial vehicle passage. In this regard， a method for planning a virtual tube space is proposed that can generate a tube generation path meeting the virtual tube space requirements in an environment containing obstacles. The method mainly includes path searching and trajectory optimization. It is based on the rapidly exploring random tree* （RRT*） search， where space detection is used to determine whether there is sufficient space around each segment of the path. The search is then re-expanded， replacing path segments with insufficient space if the space is not enough. In the trajectory optimization process， a uniform B-spline is used to parameterize the trajectory， and a collision cost function and a smoothing cost function are designed to keep the trajectory away from obstacles， providing enough space for virtual tube planning. Simulation tests verify the superiority and robustness of the proposed method in large-scale swarms， with the reduction of 20% of average passage time of a swarm containing 15 unmanned aerial vehicles.

Keywords： virtual tube; quadrotor aircraft; motion planning; path searching; uniform B-spline; space satisfaction

0 引 言

無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使無(wú)人機(jī)集群在各個(gè)方面得到了應(yīng)用，如軍事行動(dòng)、物流運(yùn)輸、區(qū)域搜索等^［14］。

無(wú)人機(jī)集群需要避免相互碰撞且躲避障礙物。基于控制的防碰撞方法根據(jù)全局路徑和當(dāng)前局部信息直接引導(dǎo)智能體移動(dòng)，計(jì)算量和通訊負(fù)擔(dān)較低，更適用于大型多智能體集群^［57］。Quan等^［8］提出虛擬管道，在無(wú)人機(jī)通過(guò)障礙物時(shí)構(gòu)建一段虛擬管道以確保安全通行，并使用分布式控制使機(jī)器人在管道內(nèi)通行且相互避免碰撞。Gao等^［9］針對(duì)包含障礙物的復(fù)雜環(huán)境，提出面對(duì)集群的四邊形連接的虛擬管道，設(shè)置分布式控制的函數(shù)，可以引導(dǎo)集群在管道內(nèi)朝著終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并相互不碰撞。Quan等^［10］提出曲線虛擬管道，并在管道內(nèi)設(shè)置勢(shì)場(chǎng)，引導(dǎo)機(jī)器人集群。相較于其他方法，虛擬管道計(jì)算量低，對(duì)于機(jī)器人集群尤其大規(guī)模集群有著顯著的優(yōu)勢(shì)。Mao等^［11］在虛擬管道工作基礎(chǔ)之上，設(shè)置正則約束條件，生成正則曲線虛擬管道，避免管道在轉(zhuǎn)向中的突刺，防止機(jī)器人在管道內(nèi)死鎖，提高通行效率。

虛擬管道的集中式規(guī)劃需要一條管道生成線，也就是一條無(wú)碰撞的平滑軌跡。虛擬管道的規(guī)劃質(zhì)量直接影響了最終的通行效率，然而虛擬管道的規(guī)劃不同于普通的移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃。目前，管道生成線主要使用的是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃常用的方法。首先，使用A^*算法^［12］、快速探索隨機(jī)樹(shù)*（rapidly exploring random tree RRT*）算法^［13］等經(jīng)典路徑規(guī)劃算法搜索路徑，然后通過(guò)Minimum-Snap^［14］生成多項(xiàng)式軌跡。這種方法所得到的軌跡主要針對(duì)的是單個(gè)機(jī)器人，并不考慮軌跡周圍空間，虛擬管道需要沿著生成線拓展一定空間，在障礙物密集或者包含狹窄空間的環(huán)境中容易導(dǎo)致管道過(guò)于狹窄。其次，現(xiàn)有方法所得軌跡通常離障礙物較近，如遇到復(fù)雜環(huán)境，受限于管道收縮率，所規(guī)劃的虛擬管道會(huì)有很長(zhǎng)的狹窄段甚至全段狹窄，嚴(yán)重影響了通行效率甚至不可通行。降低A^*算法的地圖分辨率或者增大障礙物碰撞體積可以獲得更大的路徑空間，但會(huì)丟失很多可通行的路徑，且會(huì)提高搜索失敗率。因此，設(shè)計(jì)一種針對(duì)虛擬管道的規(guī)劃算法是必要的。

根據(jù)路徑搜索、軌跡優(yōu)化的整體設(shè)計(jì)思路。首先，設(shè)計(jì)一種不同于現(xiàn)有算法的路徑搜索算法，需要在搜索路徑時(shí)考慮路徑周圍空間大小。得到初始路徑后，還需要將路徑參數(shù)化為無(wú)碰撞且平滑的軌跡，基于多項(xiàng)式的Minimum-Snap生成軌跡是一種成熟的方法，而且可以通過(guò)閉式求解快速得到最優(yōu)解^［15］。同時(shí)，文獻(xiàn)［15］為解決軌跡經(jīng)過(guò)狹窄空間或時(shí)間設(shè)置不合理出現(xiàn)“Overshoot”而導(dǎo)致碰撞的問(wèn)題，在碰撞段迭代插入路徑點(diǎn)，使軌跡逐步趨近初始路徑以避免碰撞。添加約束條件也可以避免“Overshoot”的碰撞問(wèn)題，常見(jiàn)的硬約束有安全飛行走廊^［1617］。相比多項(xiàng)式而言，B樣條的凸包性質(zhì)可以很好地避免碰撞^［18］。在軌跡生成的優(yōu)化問(wèn)題中，只需優(yōu)化控制點(diǎn)即可控制整條軌跡，這種方法在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中得到了廣泛應(yīng)用^［1921］。設(shè)計(jì)合理的優(yōu)化函數(shù)可以保證軌跡兩側(cè)有足夠的空間生成虛擬管道。

本文主要貢獻(xiàn)如下：

（1） 基于RRT*，提出一種專門面對(duì)虛擬管道的路徑搜索算法，可以考慮空間大小，避免路徑進(jìn)入狹窄空間，保證了虛擬管道的寬度。

（2） 使用均勻B樣條參數(shù)化軌跡，并設(shè)計(jì)代價(jià)函數(shù)，使最終的管道生成線可以遠(yuǎn)離障礙物且光滑。

經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試和對(duì)比，驗(yàn)證所提方法的有效性和魯棒性。

1 虛擬管道

虛擬管道可以保證移動(dòng)機(jī)器人集群既不與環(huán)境中障礙物碰撞，又不與集群內(nèi)其他機(jī)器人碰撞，是機(jī)器人集群一種高效的方法^［8］。虛擬管道采用集中式規(guī)劃，在包含障礙物的環(huán)境中規(guī)劃出一條無(wú)碰撞的軌跡，以該軌跡為管道生成線虛擬管道。集群內(nèi)機(jī)器人設(shè)置分布式集群控制，通過(guò)管道內(nèi)向量場(chǎng)以及控制器可以保證管道內(nèi)機(jī)器人在管道內(nèi)不發(fā)生相互碰撞且朝向管道終點(diǎn)線移動(dòng)。虛擬管道相較于其他集群方法計(jì)算量低，尤其適合在大規(guī)模機(jī)器人集群中應(yīng)用。目前，虛擬管道在機(jī)器人集群的很多方面得到了應(yīng)用，如目標(biāo)合圍^［22］、交叉管道^［23］和最優(yōu)管道規(guī)劃^［24］、無(wú)人機(jī)競(jìng)速^［25］等。

虛擬管道的集中式規(guī)劃通常需要一條無(wú)碰撞的光滑軌跡作為管道生成線，因此該軌跡的質(zhì)量直接影響機(jī)器人集群的通行效率。目前，管道生成線的規(guī)劃方法包含兩部分，使用A*搜索出一條無(wú)碰撞路徑，之后使用Minimum-Snap將路徑優(yōu)化為軌跡。該方法生成的軌跡主要針對(duì)單個(gè)機(jī)器人，軌跡周圍空間也是根據(jù)單個(gè)機(jī)器人體積生成，若要依據(jù)該軌跡生成虛擬管道，很有可能會(huì)出現(xiàn)周圍空間不足的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致虛擬管道過(guò)窄甚至生成失敗。

2 虛擬管道路徑搜索

本文所提基于RRT*的路徑搜索算法整體流程圖如圖1所示。為方便說(shuō)明，以二維空間路徑搜索為例。首先，使用RRT*搜索初始路徑，代價(jià)函數(shù)不做修改。為方便后續(xù)處理和保證路徑質(zhì)量，對(duì)搜索到的路徑進(jìn)行剪枝處理。根據(jù)拓展步長(zhǎng)，在剪枝后的路徑中均勻插入路徑點(diǎn)，避免兩個(gè)相鄰路徑點(diǎn)間距過(guò)遠(yuǎn)。然后，以每?jī)蓚€(gè)相鄰路徑點(diǎn)拓展矩形檢測(cè)空間，對(duì)空間不足的路徑段，記錄其兩端路徑點(diǎn)。重啟RRT*搜索，以空間檢測(cè)兩端記錄的路徑點(diǎn)為起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。這次搜索時(shí)，在每個(gè)隨機(jī)點(diǎn)檢索該點(diǎn)周圍圓形空間，若圓形空間內(nèi)包含障礙物，則認(rèn)為是不滿足空間要求的隨機(jī)點(diǎn)，重新生成隨機(jī)點(diǎn)。最后，剔除第一次搜索的路徑中空間不足的路徑段，并連接重搜索的路徑，得到最終路徑。

2.1 RRT*算法

RRT*算法是經(jīng)典的路徑搜索算法，因其具備不需要額外地圖、搜索速度快、資源占用低等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人路徑規(guī)劃中被廣泛使用^［2627］。

2.2 空間滿足檢測(cè)

現(xiàn)有的路徑搜索算法并不適合被用于虛擬管道規(guī)劃，主要原因是大多數(shù)算法并不考慮空間因素，本文將對(duì)此著重考慮。RRT*搜索到初始路徑之后，對(duì)路徑進(jìn)行空間檢測(cè)，以判斷路徑周圍是否有足夠空間用以擴(kuò)展成管道。設(shè)定虛擬管道最大半徑為r_t。

先以二維空間為例，將在稍后介紹三維空間。在空間M中，包含障礙物空間M^obs和可用空間M^free，且M=M^free+M^obs。初始路徑L_o包含l個(gè)路徑點(diǎn)p_i，i∈［2，l］。以每?jī)蓚€(gè)相鄰路徑點(diǎn)為矩形中心軸線，中心軸線為L(zhǎng)_oj=p_j+1－p_j，j∈［1，l－1］。以規(guī)定的r（rgt;r_t）為垂直路徑段的邊長(zhǎng)，拓展出矩形空間S_j（L_oj，r）。在檢測(cè)空間S_j內(nèi)，路徑兩側(cè)法向量方向上和障礙物最近距離的向量d_j1，d_j2滿足：

d_j1d_j12+d_j2d_j22=0

d_j1·L_oj=0

d_j2·L_oj=0

{d_j12，d_j22}=min f_st（S_j）（1）

式中：f_st（S_j）表示S_j中兩側(cè)法向量方向上和障礙物的距離函數(shù)。若d_j12+d_j22≥r_t，則該段路徑滿足空間要求;反之則認(rèn)為不符合空間要求。如圖2所示，紅色為路徑點(diǎn)，綠色為路徑，藍(lán)色虛線框?yàn)榭臻g檢測(cè)的矩形空間，圖中S₃所對(duì)應(yīng)的路徑段為不滿足空間要求的路徑段。

三維空間中路徑段的法向量有無(wú)窮多組，以δ為離散步長(zhǎng)，則有π/δ組法向量{d_jg1，d_jg2}，g∈［1，π/δ］。同二維類似，若ρ∈［1，π/δ］，d_jρ12+d_jρ22lt;r_t，則認(rèn)為該段路徑不滿足空間要求。圖3所示為第j段路徑三維空間檢測(cè)的示意圖。

空間檢測(cè)偽代碼如算法1所示。

算法 1 空間檢測(cè)偽代碼

輸入 路徑L_o，檢測(cè)半徑r;

輸出 路徑點(diǎn)隊(duì)列Node。

Flag←1

While jlt;m－1

S_j←構(gòu)建檢測(cè)空間（L_oj，r）;

if Flag←檢測(cè)障礙物（S_j）

Node.push（p_j，p_j+1）

End if

End while

2.3 拓展RRT*

RRT*得到的路徑中可能存在多段狹窄段，若兩段狹窄路徑間隔節(jié)點(diǎn)數(shù)小于，則將兩段連接在一起處理。拓展RRT*搜索目的，是為了搜索出一條滿足空間要求的路徑，以替換掉原本路徑中空間不足的路徑段。

拓展RRT*在生成新節(jié)點(diǎn)p_n時(shí)會(huì)檢測(cè)以該節(jié)點(diǎn)為中心的球形空間S_r（p_n）（二維空間中則為圓形），半徑為R，且Rgt;r_t。若空間S_r中包含障礙物，即S_r∩M^obs≠，則重新生成新的隨機(jī)節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，圖中藍(lán)色虛線為新生成節(jié)點(diǎn)的周圍拓展空間。

為保證算法時(shí)間和最終路徑質(zhì)量，拓展RRT*搜索時(shí)不定終點(diǎn)，從狹窄段起點(diǎn)搜索，若拓展到RRT*樹(shù)上狹窄段終點(diǎn)之后的任意節(jié)點(diǎn)，則搜索完成。搜索完成后，用拓展搜索到的路徑替換掉初始路徑對(duì)應(yīng)段，經(jīng)過(guò)剪枝、補(bǔ)點(diǎn)后得到最終的路徑。

3 軌跡生成

路徑雖然并不與障礙物發(fā)生碰撞，但通常路徑由多段折線組成，并不夠平滑。以路徑作為管道中心線生成虛擬管道很難保證管道壁光滑，在內(nèi)通行的機(jī)器人容易死鎖。因此，需要進(jìn)行軌跡優(yōu)化，使其在保證不碰撞的同時(shí)盡可能平滑，以平滑軌跡作為管道生成線可以保證曲線虛擬管道足夠平滑。

在現(xiàn)有的虛擬管道規(guī)劃方法中，容易因平滑軌跡而導(dǎo)致軌跡撞上障礙物。為避免這種情況，本文采用k次均勻B樣條參數(shù)化軌跡，B樣條的凸包性質(zhì)可以保證軌跡在控制點(diǎn)的范圍內(nèi)。B樣條凸包特性如圖5所示，圖中紅色點(diǎn)為控制點(diǎn)，綠色曲線為B樣條曲線，即B樣條曲線在控制點(diǎn)所圍成的范圍內(nèi)。

均勻B樣條控制點(diǎn)為{Q₁，Q₂，…，Q_n}，節(jié)點(diǎn)為{u₀，u₁，…，u_m}，且m=n+k。

虛擬管道生成線不同于普通的軌跡，管道生成線對(duì)周圍空間要求更高，管道生成線同樣需要保證光滑。因此，設(shè)計(jì)了兩個(gè)代價(jià)函數(shù)優(yōu)化軌跡。

碰撞代價(jià)：將軌跡推離障礙物，使軌跡周圍有足夠的空間。碰撞代價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)如下：

f_c=∑n－kkF（d（Q_i））（2）

F（d（Q_i））=a₀1－d（Q_i）r_t2（3）

式中：d（Q_i）表示控制點(diǎn)與最近障礙物的距離;a₀為常數(shù)。距離在［0，r_t］區(qū)間內(nèi)，碰撞代價(jià)為非負(fù)且單調(diào)遞減的連續(xù)函數(shù)。

使用歐氏距離場(chǎng)（Euclidean signed distance field， ESDF）地圖可以快速得到地圖中任意點(diǎn)到最近障礙物的距離。

光滑代價(jià)：光滑代價(jià)在大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人軌跡優(yōu)化時(shí)都有設(shè)置，通過(guò)控制控制點(diǎn)可以調(diào)整軌跡的光滑度^［2829］。將所生成的軌跡用作管道生成線，并且不需要某個(gè)機(jī)器人精確執(zhí)行。為了減少時(shí)間分配對(duì)軌跡的影響，使用控制點(diǎn)計(jì)算光滑性代價(jià)，并不需要高階導(dǎo)數(shù)信息。

f_s=∑n－k+1i=k－1（Q_i+1－Q_i）+（Q_i－1－Q_i）2（4）

最后，軌跡優(yōu)化可以表述為如下的優(yōu)化問(wèn)題：

minQ J=λ_sf_s+λ_cf_c（5）

式中：λ_s，λ_c為光滑代價(jià)權(quán)重和碰撞代價(jià)權(quán)重。

優(yōu)化開(kāi)始時(shí)，決策變量即控制點(diǎn)的初值來(lái)自路徑點(diǎn)。由于生成的軌跡用作管道生成線，并且不需要可行性代價(jià)和時(shí)間重分配來(lái)限制高階導(dǎo)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

本節(jié)主要分為以下4個(gè)部分：① 在不同環(huán)境中對(duì)比RRT*算法和本文提出的虛擬管道路徑搜索算法。② 驗(yàn)證本文方法的有效性并以此為管道生成線構(gòu)建虛擬管道。③ 在同一地圖環(huán)境下，將本文空間滿足虛擬管道規(guī)劃和現(xiàn)有虛擬管道規(guī)劃方法對(duì)比，并在兩種方法規(guī)劃的虛擬管道中仿真測(cè)試不同數(shù)量的無(wú)人機(jī)集群的通行時(shí)間。④ 軟件在環(huán)測(cè)試可行性。

二維中的仿真使用的計(jì)算機(jī)處理器為AMD Ryzen 7 5800H 3.2 GHz，機(jī)帶為RAM16.0GB。三維中仿真基于Ubuntu18.04操作系統(tǒng)，ROS Melodic版本。

4.1 路徑對(duì)比

現(xiàn)有虛擬管道規(guī)劃方法使用A*算法，其搜索時(shí)間和搜索路徑會(huì)受到柵格地圖分辨率設(shè)置影響，為控制對(duì)照組變量和突出算法有效性，本節(jié)主要將本文所提出的路徑搜索算法和RRT*算法進(jìn)行對(duì)比。在包含多個(gè)雜亂障礙物的二維場(chǎng)景中進(jìn)行了測(cè)試，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在不同的地圖中，r，R設(shè)置不相同，在障礙物密集的環(huán)境中需要適當(dāng)減小其數(shù)值，需要保證rgt;Rgt;r_t。若其數(shù)值設(shè)置過(guò)大且地圖中不存在滿足寬度的路徑時(shí)，搜索時(shí)間可能過(guò)長(zhǎng)并失敗。在不同尺寸、障礙物形狀、障礙物數(shù)量、障礙物密度的地圖中的搜索結(jié)果如圖6所示，圖中黑色為障礙物。

圖6可知，相比RRT*搜索出的路徑，本文所提出的虛擬管道路徑搜索的路徑周圍空間更大，避開(kāi)了狹窄空間。表2為詳細(xì)數(shù)據(jù)，s_p為路徑L上每個(gè)離散點(diǎn)p在路徑段兩側(cè)法向量方向上到障礙物的距離之和的最小值，即路徑在最狹窄處的空間大小。

s_p=min{r_t，min（d（L（p_j）））}（6）

將所提出的虛擬管道路徑搜索在三維空間中驗(yàn)證，程序采用C++11標(biāo)準(zhǔn)。如圖7所示，基于ROS中Rviz可視化界面，在包含密集障礙物的三維環(huán)境中，所提方法可以搜索到一條滿足空間要求的路徑。

4.2 軌跡與虛擬管道

軌跡優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如表3所示，優(yōu)化問(wèn)題求解使用梯度下降法。由圖8和圖9可知，優(yōu)化后的軌跡可以遠(yuǎn)離障礙物，為虛擬管道提供了足夠的空間。得益于管道生成線兩側(cè)有足夠的空間，規(guī)劃的虛擬管道基本避免了因距離障礙物過(guò)近而收縮管道，避免了狹窄的虛擬管道。合理地設(shè)置管道最大半徑和搜索參數(shù)設(shè)置，可以保證管道全程為最大半徑而不收縮。本文主要討論管道的規(guī)劃，虛擬管道的生成和集群分布式控制采用已有方法^［1011］。

4.3 管道通行測(cè)試與對(duì)比

基于文獻(xiàn)［9］中虛擬管道通行設(shè)計(jì)，在本文所規(guī)劃的虛擬管道中仿真測(cè)試不同數(shù)量的集群。首先，在若干包含障礙物的地圖中設(shè)置起始點(diǎn)［500，192］，終點(diǎn)［70，192］，最大管道寬度均設(shè)置為20，其他參數(shù)設(shè)置如表4所示。如圖10所示，紅色實(shí)線為現(xiàn)有方法規(guī)劃的非正則曲線虛擬管道，采用A*加Minimum-Snap;綠色實(shí)線為本文方法規(guī)劃的虛擬管道。在虛擬管道中最多測(cè)試了15架無(wú)人機(jī)的集群，如圖11所示，展示了4個(gè)時(shí)刻的通行狀態(tài)。

不同數(shù)量的無(wú)人機(jī)集群在兩種管道內(nèi)的通行時(shí)間如圖12所示，圖中橫坐標(biāo)為集群內(nèi)無(wú)人機(jī)數(shù)量，縱坐標(biāo)為全部飛機(jī)通過(guò)虛擬管道終點(diǎn)線的時(shí)間。隨著集群規(guī)模逐步擴(kuò)大，對(duì)管道寬度要求也逐漸提高，狹窄的虛擬管道容易出現(xiàn)堵塞，本文所提方法所規(guī)劃的虛擬管道在通行時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著。更寬的管道允許更多的無(wú)人機(jī)并行通過(guò)，大大提升了管道流速。

4.4 軟件在環(huán)仿真

在RflySim^［30］可視化仿真平架中測(cè)試了虛擬管道飛行，仿真界面如圖13所示。生成的虛擬管道為二維，Z軸為定高。所得仿真數(shù)據(jù)如圖14所示，綠色是虛擬管道兩側(cè)的管道壁，圖中彩色的曲線簇為4架無(wú)人機(jī)在仿真中的軌跡曲線。所有無(wú)人機(jī)起飛后，以虛擬管道起點(diǎn)入口為目標(biāo)點(diǎn)，使所有飛機(jī)到達(dá)管道起點(diǎn)，在該過(guò)程中以及到達(dá)時(shí)不考慮碰撞。待所有飛機(jī)到達(dá)管道入口起點(diǎn)處，切換虛擬管道的分布式控制，無(wú)人機(jī)集群在管道內(nèi)自主飛行，逐步接近虛擬管道終點(diǎn)線。通過(guò)RflySim可視化仿真平架可以實(shí)時(shí)觀測(cè)飛行界面。

由圖14可知，無(wú)人機(jī)可以在虛擬管道內(nèi)飛行而不發(fā)生碰撞，同時(shí)更寬的虛擬管道允許更多的飛機(jī)并行通過(guò)。由可視化仿真界面可以看出，無(wú)人機(jī)1和無(wú)人機(jī)2基本保持并排飛行，提高了通行效率。由于無(wú)人機(jī)3和無(wú)人機(jī)4在轉(zhuǎn)向的外側(cè)，且集群內(nèi)所有個(gè)體最大速度設(shè)置相同，因此無(wú)人機(jī)3和無(wú)人機(jī)4逐步落后。若為更大規(guī)模的集群，虛擬管道的空間將充分利用，最大程度地提高無(wú)人機(jī)集群的通行效率。

5 結(jié) 論

本文提出一種虛擬管道空間滿足規(guī)劃方法，可以在包含障礙物的環(huán)境中搜索出一條滿足空間要求的虛擬管道。本文方法主要包括基于RRT*的空間滿足路徑搜索以及軌跡優(yōu)化。通過(guò)仿真驗(yàn)證測(cè)試，證實(shí)所提出的虛擬管道規(guī)劃方法可以提高無(wú)人機(jī)集群的通行效率，降低通行時(shí)間。隨著無(wú)人機(jī)體積或無(wú)人機(jī)集群規(guī)模的增加，所提方法的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著。

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作者簡(jiǎn)介

肖士博（1999—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗男頍o(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

齊國(guó)元（1970—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)底層控制、集群避障、非線性系統(tǒng)控制。

鄧嘉豪（1998—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)抗擾控制、集群控制。

蘇鵬鵬（1999—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)抗擾控制、集群控制。

賈晶童（1997—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)集群避障。